高偏振消光比光学谐振腔研究

摘要

谐振式光学陀螺(ROG)是通过测量Sagnac效应产生的谐振频率差来检测旋转角速度的一种新型光学传感器，在小型化和集成化上具有明显优势。光学谐振腔是其核心敏感元件，要求具有低损耗、高清晰度、以及高偏振消光比特性。在光学谐振腔中，存在两个本征偏振态。由于环境因素的影响，两个本征偏振态彼此独立运动，这样就在陀螺的输出中产生噪声。偏振波动噪声是ROG中重要的光学噪声源之一。基于这样的应用背景，论文开展了高偏振消光比谐振腔技术研究。具体来说，本论文的主要工作如下：
　　 基于偏振波动对谐振腔谐振曲线的影响，用谐振深度以及半高全宽的波动来衡量偏振波动噪声的影响大小；谐振腔中的偏振消光比主要通过改进定向耦合器的偏振特性或集成在线起偏器来实现，论文对比了上述两种技术对偏振波动噪声的抑制作用；分析发现，耦合器和在线起偏器处的偏振消光比都能起到抑制偏振波动的作用，但是具体效果有所不同。这两种实现偏振消光比的技术可分别用于光纤谐振腔和光波导谐振腔。
　　 针对光纤谐振腔，论文设计了基于空芯光子晶体光纤(PBF)的单偏振谐振腔。这种谐振腔利用PBF耦合器中耦合系数反常现象，在特定的参数下实现单偏振耦合；通过计算PBF中传输模场的重叠积分，证明场分布中的反相区域是导致耦合系数反常现象的根本原因；利用有限元算法，获得了实现单偏振耦合所需的结构参数，并计算了角度对准误差对其消光比的影响。当PBF耦合器的角度对准误差控制在0.9°以内时，其偏振消光比在30 dB以上。
　　 针对光波导谐振腔，利用Brewster原理和倾斜波导光栅(TWG)技术，论文设计了一种高偏振消光比的光波导谐振腔。将体电流法应用于直角坐标系，计算了两种TWG结构的散射场及消光比特性，其折射率在纵向剖面上分别为正弦型和阶跃型分布。分析发现，当光栅的倾斜角度为Brewster角，同时光栅周期满足相位匹配条件时，就能够获得最大消光比。当光栅的折射率变化幅度为0.005时，正弦型TWG的单位长度偏振消光比为844.54 dB/m，阶跃型TWG的单位长度偏振消光比为961.48 dB/m。
　　 上述工作可为今后研制高偏振消光比光学谐振腔提供理论依据和技术参考。